軟土盾構隧道基底加固對長期沉降的影響分析

龔彥峰，王愛武，周坤，劉新根，陳瑜嘉

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063；2.水下隧道技術湖北省工程實驗室，湖北 武漢 430063；3.廣東珠三角城際軌道交通有限公司，廣東 廣州 510230；4.上海同巖土木工程科技股份有限公司，上海 200092)

軟土盾構隧道基底加固對長期沉降的影響分析

龔彥峰1，2，王愛武3，周坤2，劉新根4，陳瑜嘉4

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063；2.水下隧道技術湖北省工程實驗室，湖北 武漢 430063；3.廣東珠三角城際軌道交通有限公司，廣東 廣州 510230；4.上海同巖土木工程科技股份有限公司，上海 200092)

在富水軟弱地層中，如何預測及控制地層擾動引起的長期固結沉降一直是盾構隧道施工面臨的重要問題之一?；贔EM-FDM水土完全耦合理論，利用同濟曙光三維有限元軟件，分析了珠海某隧道軟土區(qū)段局部加固對盾構施工引起的土體工后長期固結沉降的影響規(guī)律。數(shù)值計算結果表明：地層及隧道拱頂長期沉降槽隨埋深增大逐漸變深變窄；盾構隧道基底加固分別使地表及隧道拱頂?shù)淖畲蟪两盗繙p小34.2%和27%，且使二者更快趨于穩(wěn)定，但對隧道結構變形的影響并不明顯；加固會使隧道豎向應力有所增大，但不會改變其沿隧道軸向的分布規(guī)律；有基底加固時隧道拱腰處的超孔隙水壓力消散更快，使得固結沉降更快趨于穩(wěn)定。

隧道工程；軟弱地層；固結沉降；水土耦合；盾構施工

0引言

近20年來以解決城市交通壓力、節(jié)約城市用地等為主要功能的地下交通隧道建設在我國得到了飛速發(fā)展，據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設部公布的數(shù)據(jù)，到2014年為止，我國地鐵總運營里程已達2 900多km，規(guī)模居世界第一，在未來將得到進一步的發(fā)展。盾構施工因占地少，作業(yè)安全，不受外部環(huán)境影響及對地層擾動小等優(yōu)勢，在建設地鐵等地下隧道中發(fā)揮了巨大作用[1]。但在富水軟弱地層中，盾構掘進施工不可避免會對地層產(chǎn)生一定的擾動，產(chǎn)生超孔隙水壓從而引起工后地層長期沉降[2]。一旦地層沉降控制不當就會嚴重危及鄰近建筑物基礎、地下管線的安全[3]。

國內(nèi)外許多學者已對盾構施工引起的地層變形進行了大量的研究，然而這些研究中大部分都是集中在隧道施工過程產(chǎn)生的土體變形[4-8]，而對于施工擾動土體引起的長期固結沉降研究相對較少。但是有關工程實例及研究表明，在軟土地區(qū)，隧道施工擾動引起的土體長期沉降占總沉降的比例可達30%～90%[9]。因此分析研究盾構施工引起軟土體的長期沉降具有重要意義。

隧道軟弱下臥地基加固處理是提高軟土地基承載力與控制其壓縮沉降的傳統(tǒng)方法[10]?；贔EM-FDM水土耦合理論，筆者利用同濟曙光三維有限元分析軟件，模擬了珠機某隧道軟土區(qū)段盾構施工引起的土體工后長期固結沉降，分析了基底局部區(qū)域加固與不加固對地層長期沉降的影響規(guī)律。

1FEM-FDM水土耦合理論

水土耦合理論的控制方程可由平衡方程式與連續(xù)方程式組成，具體的推導過程可參考相關文獻[11-12]。

平衡方程式：

(1)

連續(xù)方程式：

(2)

對上述控制方程進行空間/時間離散時，平衡方程采用傳統(tǒng)的有限元方法進行離散，而連續(xù)方程式則采用K.AKAID等[13]提出的有限后差分法進行離散。其中位移的形函數(shù)由單元節(jié)點給出，而超孔隙水壓只在單元重心處給出。最終FEM-FDM水土耦合理論的有限元方程式可寫為：

(3)

2數(shù)值分析模型與計算方法

2.1本構模型

目前，在數(shù)值模擬中常用的本構模型主要包括莫爾-庫倫模型和修正劍橋模型[14]。其中，莫爾-庫倫模型具有建模簡單、 參數(shù)較少且易于確定等優(yōu)點，在工程中被廣泛應用，但其不能很好地模擬卸荷工況下的變形。

修正劍橋模型作為經(jīng)典的彈塑性模型，其參數(shù)很容易通過常規(guī)試驗確定，可較好地模擬淤泥質(zhì)黏土等軟弱地層的變形特性，但該模型計算效率低，并不適合較大模型。

為了兼顧兩種模型的優(yōu)點，采用兩種模型相結合的方法，即距隧道軸心小于3D(D為隧道直徑)的土層采用修正劍橋模型，之外的土層采用莫爾-庫倫模型。

圖1等代層示意Fig.1Diagram of equivalent circle zone

2.2注漿層模擬

盾構開挖的同時，盾尾進行同步注漿，通過一定的壓力將漿液壓入盾尾空隙，以阻止由于盾殼脫開后空隙造成的地層損失。為模擬注漿層，將一些與施工密切相關但又不易量化的變量(如盾尾空隙的大小、注漿充填程度、隧道壁面土體受擾動的程度和范圍等)概化為均質(zhì)、等厚的等代層[15]，其示意圖和模型圖如圖1，這樣能較客觀地反映這些不易量化因素對地表位移的綜合影響，避免研究過程中的顧此失彼，達到既能反映工程的實際情況，又能簡化計算模型的目的。等代層厚度可取為

δ=η·Δ

式中：Δ為盾尾空隙的理論值(盾構外徑與襯砌外徑差值的一半，單位：mm)；η為折減系數(shù)，取值范圍為0.7～1.5。

2.3隧道基底加固模擬

當隧道洞身完全位于流塑狀淤泥質(zhì)地層中，由于地層承載力較低，需要對隧道下臥土體進行局部加固，以增強基底承載力，防止地層變形過大。隧道基底加固的方法有很多，筆者主要研究旋噴加固法，根據(jù)實際工程情況，采用φ800豎直旋噴樁進行加固，并采用42.5級以上的普通硅酸鹽水泥，旋噴加固后，土體28 d無側限抗壓強度不小于2.0 MPa，滲透系數(shù)不大于10-7cm/s?；准庸淌疽鈭D如圖2，旋噴樁大樣圖如圖3，盾構到達前對相應區(qū)段進行地層加固，加固范圍為拱腰以下，隧道底5 m，圖中所示加固范圍為旋噴樁中心距離。

圖2基底加固Fig.2Basement reinforcement

同濟曙光有限元軟件滲流模塊基于FEM-FDM水土完全耦合理論，可以很好地模擬巖土工程中涉及水土耦合相互作用的工程問題。筆者利用同濟曙光有限元軟件對飽和軟土地層盾構隧道基底有加固和無加固的長期沉降進行數(shù)值模擬，分析注漿加固體對地層及隧道結構長期沉降的影響規(guī)律。

圖3旋噴樁大樣(單位：mm)Fig.3Sketch of jet grouting piles

3工程概況

3.1地質(zhì)概況

珠機某隧道位于海積平原，地勢平坦，洞頂埋深15.4 m，隧道外徑8.5 m，隧道穿越的為流塑狀淤泥質(zhì)地層，洞頂上方為粉砂和人工填土，洞底下方為中砂層和花崗巖地層，其地質(zhì)剖面圖如圖4。各土層物理力學參數(shù)如表1。

圖4地質(zhì)剖面(單位：m)Fig.4Geologic section profile

表1材料物理力學參數(shù)Table 1Physical and mechanical parameters of material

注：NA表示本構模型不存在該參數(shù)

3.2計算模型

由于地基為半無限空間，有限元計算時通常截取一定范圍的地基土體，呂愛鐘等[16]的計算結果表明，當計算模型的水平范圍取為5～6D以上時可獲得較好的計算精度。根據(jù)土層分布情況，取計算模型尺寸為x方向110.5 m，y方向51.43 m，z方向80 m，隧道中軸線埋深21.68 m。計算模型如圖5。隧道結構及盾殼采用線彈性殼單元來模擬，用0.8剛度折減系數(shù)來體現(xiàn)環(huán)向接頭的影響[17]。土體的加固效果以增加土體強度的方法進行模擬。

圖5計算模型(單位：m)Fig.5Calculation model

模型采用位移邊界條件，前后、左右側面均施加法向位移固定約束，底面施加豎向位移固定約束。模型除底部邊界設為非排水面外，其余邊界均為排水面，土體與襯砌間邊界設為非排水邊界。

數(shù)值模擬時首先根據(jù)土體自重進行平衡計算，從而確定初始應力；然后進行隧道土體開挖模擬并施加管片襯砌，最后進行固結沉降計算。

初始狀態(tài)地層、隧道及其下方加固土體和管片局部放大圖如圖6，開挖到隧道中部時，管片及開挖面處局部放大圖如圖7。

圖6加固區(qū)示意Fig.6Sketch of the reinforced area in the model

圖7管片局部放大Fig.7Local enlargement of pipe segment

4計算結果分析

4.1加固對地表沉降的影響

施工后490 d，隧道基底有加固和無加固時地表橫向沉降槽的曲線如圖8，地表下6 m地層橫向沉降槽曲線如圖9，地表下12 m地層橫向沉降槽如圖10。有無基底加固時，隧道中心上方地表沉降隨時間變化曲線如圖11。

圖8地表沉降槽曲線Fig.8Ground surface settlement trough curve

圖9地表下6 m地層沉降槽曲線Fig.9Settlement trough curve of 6 m stratum below the ground surface

圖10地表下12 m地層橫線沉降槽曲線Fig.10Settlement trough curve of 12 m stratum below the ground surface

圖11隧道中心上方地表沉降的時程曲線Fig.11Time history curve of ground surface settlement above the tunnel center

由圖8～圖10可知，有無加固時，不同埋深地層的沉降槽曲線均符合高斯分布，最大沉降點均在隧道中心上方；隨著埋深的增加，地層沉降槽寬度減小，最大沉降量增大，說明有無加固時沉降槽的變化規(guī)律相同。從沉降量上來看，有加固時地表、埋深6 m和12 m地層比沒有加固時減少了8.5 mm、9 mm和10 mm，表明加固對地層沉降的影響程度不同，地層埋深越深，加固起到的降低沉降的作用越明顯。

由圖11可得，隧道基底有加固和無加固時，地表沉降都隨著時間增加而增大，但在固結490 d后有加固的地表沉降最大值比無加固時減少了8.535 mm，約為后者的34.2%；同時可以發(fā)現(xiàn)，有無基底加固時，地表的沉降速率都隨時間增加而逐漸減小，但有加固時沉降速率明顯比無加固沉降速率大，到固結490 d后有加固的沉降基本趨于穩(wěn)定了，而無加固的沉降仍需一段時間才能達到穩(wěn)定。由此可知，基底加固對減少飽和軟土地層的長期沉降有顯著的作用。

4.2加固對隧道結構變形的影響

有無基底加固時，隧道結構拱腰水平位移和拱頂沉降隨時間變化曲線分別如圖12和圖13，隧道水平和豎直方向上的凈空收斂值隨時間變化曲線分別如圖14和圖15。

由圖12和圖13可知，隧道基底有加固和無加固時，拱頂沉降和拱腰水平位移隨時間的變化規(guī)律相似，即沉降和水平位移都隨時間增大，但二者的增大速率逐漸減小。由圖13可得，490 d時，有基底加固的隧道拱頂沉降比無加固時減少9.6 mm，約為未加固時的27%，且此時沉降增加速率基本趨于穩(wěn)定。由圖12可得，有加固時拱腰的水平位移比未加固時有較小的增加。

圖12隧道拱腰水平位移時程曲線Fig.12Time history curve of horizontal displacement of tunnel arch

圖13隧道拱頂沉降時程曲線Fig.13Time history curve of settlement of tunnel vault

由圖14和圖15可得，從施工結束到工后490 d，基底有加固時隧道的水平方向凈空收斂比無加固時大1.3～1.7 mm，但豎直方向凈空收斂小0.9～2.5 mm，由此可見，基底加固對隧道水平和豎直方向的變形影響較小。

圖14隧道水平凈空收斂時程曲線Fig.14Time history curve of horizontal clearance converge of tunnel

圖15隧道豎向凈空收斂時程曲線Fig.15Time history curve of vertical clearance converge of tunnel

4.3加固對隧道結構內(nèi)力的影響

固結491 d時，有無基底加固工況下隧道管片豎向應力云圖分別如圖16和圖17。

由圖16可以看出，無基底加固時管片最大豎向應力出現(xiàn)在腰部，且內(nèi)側受拉、外側受壓，其值分別為7.82 MPa和10.16 MPa；由圖17可以得出，有基底加固時豎向應力沿管片的分布規(guī)律與無加固時相同，其腰部內(nèi)側和外側的豎向應力分別為9.85 MPa和12.67 MPa，比無加固時增加了26%和24.7%，表明基底加固對管片的應力影響較為顯著。

圖16無基底加固時隧道管片的豎向應力云圖(單位：kPa)Fig.16The vertical stress contour of tunnel segments without base reinforcement

圖17有基底加固時隧道管片的豎向應力云圖(單位：kPa)Fig.17The vertical stress contour of tunnel segments with base reinforcement

4.4加固對超孔隙水壓的影響

有無基底加固時，隧道左側拱腰處的超孔隙水壓隨固結時間的變化曲線如圖18。

圖18隧道拱腰處超孔隙水壓時程曲線Fig.18Time history curve of the excess pore water pressure of tunnel arch

由圖18可得，固結時間相同時，無加固下隧道拱腰處超孔隙水壓值總是比有加固時大，但兩種工況下其值隨固結時間的變化規(guī)律相似，都是隨固結時間的增加而減小，在前100 d，超孔隙水壓迅速減小，分別比初始值減少了75%和78%，固結時間大于100 d時，超孔隙水壓緩慢減小并趨于穩(wěn)定，分別比初始值減少了93.6%和96%，說明有加固時隧道拱腰處的超孔隙水壓消散速度更快，使得固結沉降更快趨于穩(wěn)定。

5結論

利用同濟曙光三維有限元分析軟件，對軟土地層隧道盾構掘進對周圍土體產(chǎn)生擾動而引起工后地層長期固結沉降進行了數(shù)值模擬分析，并對有無基底加固兩種工況下地層沉降及隧道變形規(guī)律進行了對比分析，得出以下結論：

1) 土體長期沉降量及沉降槽寬度會隨固結時間不斷增大；當固結時間一定時，地層最大沉降值隨地層埋深增大而增大，而沉降槽的寬度隨之減小，但土體固結引起的沉降隨著土體埋深增大而減小。

2) 隨著時間的推移，隧道拱頂和拱底均表現(xiàn)為沉降，拱腰兩側有向外的水平位移，隧道結構變形主要發(fā)生在工后90 d內(nèi)。

3) 有基底加固的隧道拱頂沉降比無加固時減少27%，且其更快趨于穩(wěn)定。隧道基底加固能有效減小拱頂沉降，但對隧道結構的變形影響不明顯。

4) 基底加固不改變隧道管片的豎向應力分布規(guī)律，但會使其最大增大24.7%。

5) 有基底加固時，隧道拱腰處的超孔隙是壓力消散的更快，因而固結沉降更快趨于穩(wěn)定。

本研究通過數(shù)值分析方法表明了在軟弱地層中盾構隧道局部下臥土體的加固不僅可以減小長期沉降大小，而且可以使固結沉降時間縮短，可為實際盾構施工時控制地層沉降提供一定的依據(jù)。

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(責任編輯：朱漢容)

Influence of Base Reinforcement of Shield Tunnel on the Long-Term Settlement in Soft Soil Stratum

GONG Yanfeng1，2，WANG Aiwu3，ZHOU Kun2，LIU Xin’gen4，CHEN Yujia4

(1.China Railway SIYUAN Survey & Design Group Co.Ltd.，Wuhan 430063，Hubei，P.R.China; 2.Engineering Laboratory of Underwater Tunnel Technology of Hubei Province，Wuhan 430063，Hubei，P.R.China; 3. Guangdong Pearl River Delta Intercity Railway Co.Ltd., Guangzhou 510230, Guangdong, P.R.China;4.Shanghai Tongyan Civil Engineering Technology Co.Ltd.，Shanghai 200092，P.R.China)

In water-rich soft soil stratum，how to predict and control the long term consolidation settlement induced by ground disturbance in the shield tunnel construction is one of the important problems.Based on soil-water fully coupling theory in the FEM-FDM scheme，the influence rule of the local reinforcement of the soft soil section of one tunnel on the long-term post consolidation settlement of soil caused by shield tunneling construction was analyzed by using GeoFBA3D software.The numerical calculation results indicate that the long-term settlement trough of the soft stratum and the tunnel vault becomes deeper and narrower with the increase of the buried depth.The maximum settlements of the ground surface and tunnel vault caused by the base reinforcement in shield tunneling construction are reduced by 34.2% and 27% respectively，and both of them tend to be more stable，but the influence on the deformation of the tunnel structure is not obvious.The reinforcement will make the vertical stress of tunnel increase，but it does not alter its axial distribution rule along the tunnel; furthermore，the excess pore water pressure of tunnel arch with the base reinforcement dissipates faster，which makes the consolidation settlement tend to be stable faster.

tunnel engineering; soft stratum; consolidation settlement; soil-water coupling; shield construction

U455.43

A

1674-0696(2017)10-019-07

2016-06-30；

2016-08-30

龔彥峰(1969—)，男，河南鹿邑人，博士，教授級高級工程師，主要從事隧道及地下工程的設計及研究工作。E-mail: tsygyf@126.com。

王愛武(1967—)，男，湖南攸縣人，碩士，高級工程師，主要從事土木工程技術研究及管理工作。E-mail: wawwam@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.10.04